高中物理沪科版 (2019)必修 第一册4.3 牛顿第二定律教课课件ppt

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一、实验原理实验的基本思想——控制变量法1.保持研究对象即小车与车中槽码的质量不变,改变小桶内细砂的质量,即改变作用力,测出小车对应的加速度,验证加速度是否正比于作用力。2.保持小桶中细砂的质量不变,即保持作用力不变,改变研究对象的质量,测出不同质量对应的加速度,验证加速度是否反比于质量。
二、实验器材小车、槽码、小桶、细砂、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、纸带、刻度尺、天平。
三、实验方案的设计1.三个物理量的测量方法——近似法本实验的研究对象:放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动。(装置如图所示)。
(1)小车质量的测量利用天平测出,在小车上增减槽码可改变小车的质量。(2)拉力的测量当小桶和细砂的质量远小于小车的质量时,可以认为小桶和细砂的重力等于对小车的拉力。(3)加速度的测量:逐差法。
2.实验数据的处理方法——图像法、“化曲为直”法(1)研究加速度a和力F的关系以加速度a为纵坐标,以力F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图像,如图所示,若图像是一条通过原点的直线,就能说明a与F成正比。
(2)研究加速度a与质量M的关系如图甲所示,因为a-M图像是曲线,检查a-M图像是不是双曲线,就能判断它们之间是不是反比例关系,但检查这条曲线是不是双曲线,相当困难。若a
四、实验步骤1.用天平测出小车的质量M,并把数值记录下来。2.按实验装置图把实验器材安装好。3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块,多次移动木块位置,直到轻推小车,使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止。4.在小桶里放入适量的细砂,在小车上加放适量的槽码,用天平测出小桶和细砂的质量m,并记录下来。接通电源,放开小车,待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带。
5.保持小车的质量不变,改变细砂和小桶的质量,按步骤4再做5次实验。6.在每条纸带上选取一段比较理想的部分,算出每条纸带对应的加速度的值并记录在表格的相应位置。7.用纵坐标表示加速度a,横坐标表示作用力F,根据实验结果画出小车运动的a-F图像,从而得出a-F的关系。
8.保持细砂和小桶的质量不变,在小车上增减槽码,重复上面的实验,求出相应的加速度,并设计表格如表所示。根据实验结果画出小车运动的a- 图像,从而得出a-M的关系。
9.整理实验器材,结束实验。
五、数据分析1.分析加速度a与力F的定量关系由表中记录的数据,以a为纵坐标,F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出a-F图像,如图所示,若图像是一条过原点的直线,就能说明a与F成正比。
2.分析加速度a与质量M的定量关系
3.实验结论(1)保持物体质量不变时,物体的加速度a与所受拉力F成正比。(2)保持拉力F不变时,物体的加速度a与质量M成反比。
1.正误辨析(1)本实验研究的是物体所受的某一个力与物体加速度的关系。(　　)答案 ×(2)实验假设应该从最简单的情况进行猜想。(　　)答案 √(3)实验中作直线拟合的方法是让每个点都要在一条直线上。(　　)答案 ×(4)多次进行实验,得到的结论一定是准确的。(　　)答案 ×
2.在研究物体的加速度、作用力和质量三个物理量的关系时,我们用实验研究了小车“在质量一定的情况下,加速度和作用力之间的关系”;又研究了“在作用力一定的情况下,加速度和质量之间的关系”。这种研究物理问题的科学方法是(　　)A.模型建构法B.控制变量法C.等效替代法D.类比法答案 B
在探究加速度与外力间的关系时,得到的图像如图所示,则出现这两种现象的原因是什么?
要点提示 甲图说明补偿阻力时,木板倾角过大了,即拉力F=0时,已产生加速度,此加速度是由小车重力的分力形成的。乙图说明补偿阻力不够或没有补偿阻力,因为当拉力增大到一定程度时才产生加速度。
实验注意事项1.实验中应先接通电源后释放小车。2.在平衡摩擦力时,不要悬挂小桶,但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。3.整个实验平衡摩擦力后,不管以后是改变小桶质量还是改变小车和槽码的总质量,都不需要重新平衡。
4.改变细砂的质量过程中,要始终保证小桶(包括砂)的质量远小于小车(包括槽码)的质量。5.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能均匀分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。要点笔记 实验操作过程中,可以用气垫导轨代替长木板,就可以不用平衡摩擦力,可以利用传感器测量作用在小车上的力,可以避免对砂桶质量的限制。
例1用如图所示的装置探究在拉力F一定时,小车的加速度a与小车(含槽码)质量m的关系,某同学设计的实验步骤如下:
D.将电磁打点计时器接在干电池上,启动打点计时器,放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,并在纸带上标明小车质量E.保持小桶及桶内细砂的质量不变,增加小车上的槽码个数,并记录每次增加后的m值,重复上述实验F.分析每条纸带,测量并计算出加速度的值G.作a-m图像,并由图像确定a与m的关系
A.用天平称出小车和小桶及内部所装细砂的质量B.按图安装好实验器材C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮连接在小桶上
(1)该同学漏掉的一个重要实验步骤是　　　　　　　　,该步骤应排在步骤　　之后。 (2)在上述步骤中,有错误的是步骤　　,应把　　　　　　改为　　　　　　　　　　　　　。 (3)在上述步骤中,处理不恰当的是步骤　　,应把　　　　　　改为　　　　　　。 
解析 (1)实验中把小桶及桶内细砂的重力之和看成与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故应平衡摩擦力且应排在步骤B之后。(2)电磁打点计时器接在干电池上将无法工作,必须接在低压交流电源上。(3)作a-m图像,得到的是曲线,很难进行正确的判断,应“化曲为直”,改作a- 图像。
答案 (1)平衡摩擦力　B　(2)D　干电池　低压交流电源　(3)G　a-m图像　a- 图像
规律方法 (1)明确打点计时器的工作条件。(2)明确需要测量的物理量和实际测量的物理量是否一致。
变式训练1在探究加速度与力、质量的关系的实验中,采用如图所示的装置。
(1)本实验应用的实验方法是　　　。 A.假设法B.理想实验法C.控制变量法D.替代法
(2)下列说法中正确的是　　　。 A.每次改变小车质量时,应重新平衡摩擦力B.在探究加速度与质量的关系时,应该改变拉力的大小C.在探究加速度与力的关系时,应该改变小车的质量D.在探究加速度a与质量m的关系时,为了直观判断二者间的关系,应作出a- 图像
解析 (1)探究加速度与力的关系时,要控制小车质量不变而改变拉力大小;探究加速度与质量关系时,应控制拉力不变而改变小车质量;这种实验方法是控制变量法,故选C。(2)实验前要平衡摩擦力,每次改变小车质量时,不需要重新平衡摩擦力,A错误;探究加速度与质量的关系时,应该控制拉力的大小不变,B错误;在探究加速度与力的关系时,应该保持小车的质量不变,C错误;要直观地反映两个量之间的关系,可以通过作图来解决,但是只有作出一条直线,才可以直观地反映两个变量之间的关系,在探究加速度a与质量m的关系时,为了直观判断二者间的关系,应作出a- 图像,D正确。
答案 (1)C　(2)D
某同学在探究加速度与合外力关系的实验时,将牵引物的重力等同于细线对小车的拉力,根据打点计时器打出的纸带得到小车加速度,绘制了a-F图像如图所示。(1)如何根据纸带上的点迹分布获取加速度?(2)图线一开始为直线,随着拉力F的增大,图线为什么发生了弯曲?
要点提示 (1)利用逐差法计算小车的加速度。(2)实验原理不完善造成系统误差:此处F为牵引物重力,并非实际作用于小车的拉力,牵引物(砂桶)的总质量越小,误差越小。拉力F很大时,图线发生了弯曲,即所挂重物质量太大,不满足远小于小车和车中槽码总质量的条件。
1.数据处理(1)计算加速度——先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。(2)作图像找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度a与小车和槽码总质量M,建立直角坐标系,描点画a- 图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。
例2某同学设计了一个探究加速度与力、质量的关系的实验,如图所示为实验装置简图(交流电源的频率为50 Hz)。
(1)如图所示为某次实验得到的纸带,根据纸带可求出小车的加速度大小为　　　　 m/s2。(结果保留两位有效数字) 
(2)保持砂和砂桶的质量不变,改变小车质量m,分别得到小车加速度a与质量m及对应的 ,数据如表所示。
(3)保持小车的质量不变,改变砂和砂桶的质量,该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线如图乙所示。该图线不通过原点,其主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
解析 (1)在连续相等的时间间隔内,从纸带上可得到四段位移,因此可以用逐差法计算加速度。已知s1=6.19 cm,s2=6.70 cm,s3=7.21 cm,s4=7.72 cm,电火花打点计时器的计
由逐差法可得s3-s1=2a1·(2T)2,s4-s2=2a2·(2T)2
(3)由a-F图线可知,F增大到某一值时小车开始有加速度,说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。
规律方法 分析纸带类问题的思路(1)瞬时速度的求法:根据中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度,求解某点的瞬时速度。(2)加速度的求法:根据逐差法,即Δs=aT2,求解小车的加速度。(3)寻找两物理量的关系:
变式训练2图甲是用来探究加速度与力之间关系的实验装置示意图,图乙是其俯视图。两个相同的小车,放在带有定滑轮的木板上(事先通过调节木板与水平面间的夹角来抵消摩擦力的影响),前端各系一条细绳,绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘里放有砝码。两个小车后端各系一条细线,细线后端用夹子固定,打开夹子,小盘和砝码牵引小车同时运动,合上夹子,两小车同时停止运动。
(1)用刻度尺测出两小车的位移,位移之比就等于它们的　　　　之比。 (2)为了探究加速度大小与力大小之间的关系,应保持两个　　　　　　　　　　(填“小车”或“小盘和砝码”)的质量相等。 (3)为减小误差,应使小盘和砝码的总质量尽可能　　　　　(填“远小于”“等于”或“远大于”)小车质量。 
解析 (1)根据初速度为零的匀变速直线运动公式s= at2可知,用刻度尺测量两小车通过的位移,两小车的位移之比等于它们的加速度之比。(2)为了探究加速度大小与力大小之间的关系,应该控制小车的质量不变,即应保持两个小车的质量相等。(3)为减小误差,应使小盘和砝码的总质量尽可能远小于小车质量,这样才能满足细绳拉力近似等于小盘和砝码的总重力。
答案 (1)加速度　(2)小车　(3)远小于
实验中,将长木板用气垫导轨替代,使小车在气垫导轨上运动,是否需要平衡摩擦力?要点提示 当小车在气垫导轨上运动时,小车和气流之间的阻力忽略不计,故不需要平衡摩擦力。
创新实验的创新模式1.在原型实验的基础上局部创新,克服原型实验中某方面的弊端。2.在原型实验的基础上进行实验仪器的创新。3.实验原理的创新。
例3(2021河南高一期末)某物理兴趣小组设计了探究加速度与力、质量的关系的实验。
(1)如图甲所示的实验装置,是否需要满足小车质量远大于砂和砂桶的总质量?　　　　　　(填“需要”或“不需要”); (2)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50 Hz。相邻两个计数点间还有四个计时点未画出,小车的加速度为　　　　　　 m/s2; 
(3)该组同学保持小车及车中的砝码质量一定,探究加速度a与所受外力F的关系,得到了a-F图线。由于忘记平衡摩擦力,图线有可能是图丙中的　　　(填“①”或“②”),小车及车中砝码的总质量m=　　　　　 kg。 
解析 (1)本实验通过弹簧测力计测出绳的拉力,而不是通过测重物的重力得到绳的拉力,故不需要满足小车质量远大于砂和砂桶的总质量。
(3)没有平衡摩擦力,实验时拉力达到最大静摩擦力时,小车才开始滑动,所以a-F图线可能为②。根据a= 可知,图线的斜率为车及车中砝码的总质量的倒数,根据图线求得m=0.5 kg。
答案 (1)不需要　(2)0.195　(3)②　0.5
规律方法 利用拉力传感器或测力计测量力,拉力可直接读出,则不需要满足小车质量M≫钩码m质量这个条件。(如图所示)
变式训练3某实验小组利用如图所示的实验装置来探究当合外力一定时,物体运动的加速度与其质量之间的关系。
(1)已知两个光电门中心之间的距离s=24 cm,遮光条的宽度d=0.52 cm。该实验小组在做实验时,将滑块从如图所示位置由静止释放,由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1,遮光条通过光电门2的时间Δt2,则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1=　　　　　　,滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2=　　　　　　,则滑块的加速度的表达式a=　　　　　　　　。(以上表达式均用字母表示) 
(2)在本次实验中,实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验,得到如下表所示的实验数据,通过分析表中数据,你得出的结论是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)现需通过图像进一步验证你的结论,请利用表格中的数据,在坐标系中描点并作出相应的图像。
(2)当合外力一定时,在误差允许的范围内,物体质量和加速度的乘积相等,所以加速度跟质量成反比。
(2)当合外力一定时,物体运动的加速度跟物体的质量成反比(3)见解析图
1.(2021山东菏泽高一期末)如图甲所示是某同学设计的探究加速度a与物体所受合力F及质量m间关系的实验装置简图,A为小车,B为打点计时器,C为装有砂的砂桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板,实验中认为细绳对小车拉力F的大小等于砂和砂桶的总重力,小车运动加速度a可由纸带求得。
(1)若实验仪器为电火花计时器,下列关于其工作电压判断正确的是　　　。 A.交流电源8 VB.直流电源8 VC.交流电源220 VD.直流电源220 V(2)图乙所示是某同学通过实验得到的一条纸带,他在纸带上取A、B、C、D、E、F、G等7个计数点(每相邻两个计数点之间还有4个点没有画出)。已知打点计时器所使用电源的频率为50 Hz,用毫米刻度尺测得:AB=0.60 cm,AC=1.60 cm,AD=3.00 cm,AE=4.80 cm,AF=7.00 cm,AG=9.60 cm。
根据上图可知,打下E点时小车的速度为　　　 m/s;小车的加速度为　　　 m/s2。(计算结果均保留两位有效数字) 
解析 (1)电火花计时器使用220 V的交流电源,故选C;(2)每相邻两个计数点之间还有4个点没有画出,则T=0.1 s;根据题图可知,打下E点时小车的速度为vE= m/s=0.20 m/s,根据Δx=aT2,由纸带可知小车的加速度为a=0.40 m/s2。
答案 (1)C　(2)0.20　0.40
2.(2020广东广州高一期末)某实验小组所用的实验装置如图所示,通过改变砂桶内砂的质量研究加速度与力的关系。图中带滑轮的长木板水平放置于桌面上,一端拴有砂桶的细绳通过小车前端的滑轮与拉力传感器相连,拉力传感器可直接显示所受到的拉力大小。
(1)下列操作必要且正确的是　　　　; A.实验前应把木板的一侧适当垫高以平衡摩擦力B.用天平测出砂和砂桶的质量C.为了减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量D.实验过程中,如拉力改变,则必须重新平衡摩擦力(2)打点计时器的工作频率f=50 Hz。选取一条点迹清晰的纸带,其中A、B、C、D、E为相邻的计数点,每相邻两计数点之间还有4个记录点未画出,各计数点到A的距离如图所示。
①计数点C对应的瞬时速度大小计算式为vC=　　　　(选用题中物理量符号s1、s2、s3、s4、f表示); ②为了充分利用记录数据,减小误差,小车加速度大小的计算式应为a=　　　　(选用题中物理量符号s1、s2、s3、s4、f表示); ③根据纸带所提供的数据,算得小车的加速度大小为　　　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。 
(3)若以传感器的示数F为横坐标,通过分析纸带得到的加速度a为纵坐标,画出的a-F图像如图所示,图像不过原点的原因是 　 。 
解析 (1)实验前应把木板的一侧适当垫高、以平衡摩擦力,选项A正确;由于有拉力传感器测拉力,不必用天平测出砂和砂桶的质量,选项B错误;由于有拉力传感器测拉力,实验中不需要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量,选项C错误;实验过程中,如拉力改变,而小车的摩擦力未改变,不必重新平衡摩擦力,选项D错误。